南京农业大学章建浩教授团队近日在Food Chemistry发表研究“Plasma activated water-induced formation of compact chicken myofibrillar protein gel structures with intrinsically antibacterial activity”，该项目研究了等离子体活化水对鸡肉肌原纤维蛋白聚集性及流变学特性的影响。南京农业大学钱婧博士研究生为此文第一作者，章建浩教授与严文静副教授为通讯作者。

（1）研究了等离子体活化水对鸡肉肌原纤维蛋白聚集性及流变学特性的影响；

（2）用等离子体活化水制备的蛋白凝胶具有抗菌活性，且能提高蛋白凝胶强度和持水能力。

Introduction

肌原纤维蛋白（MPs），作为总肌肉蛋白（55%~60%）的主要成分，其凝胶特性显著影响产品的质地及功能特性。水浴加热是形成鸡肉肌原纤维蛋白（ CMP ）凝胶的传统方法，但形成的凝胶强度、弹性和持水能力（ WHC ）差而影响肉制品品种质。为改善CMP的凝胶特性，创新制备CMP凝胶方法成为国际肉品科学研究的热点：在肉制品中添加一些天然提取物，如添加2.5%~3.5%花生分离蛋白可提高热诱导鸡肉盐溶蛋白混合凝胶的持水力、凝胶强度和弹性；FeCl 3 、H 2 O 2 和抗坏血酸的混合物氧化改性被认为是一种潜在的增强肌原纤维和大豆蛋白复合体系凝胶性能的方法；这些方法可在一定程度上能改善CMP凝胶能，但化学添加剂诱导蛋白质改性不可避免地给肉禽产品带来新的安全问题。

近年来，非热加工技术（高压和超声等）被用于增强蛋白质凝胶的功能特性，并改变蛋白构象、提高凝胶强度等，但不能赋予凝胶抗菌性能。低温等离子体技术是目前国际上一种最新的食品冷杀菌技术，由于其安全高效无残留、低温保鲜易操作等特性，在生鲜调理食品冷杀菌保鲜研发领域显示出了巨大的潜力。在蛋白质研究方面，利用高压电场对介质作用产生光电子、离子和活性自由基团，会对蛋白质结构和功能生产影响而吸引了更多的关注；Nyaisaba等发现低温等离子体处理可以增强鱿鱼蛋白凝胶性能，但过量的自由基在表面积聚，对血浆处理可能导致部分蛋白质氧化；采用DBD等离子体直接处理时，由于高浓度的等离子体集中在气液界面，溶液表面的蛋白质分子相对于底部的蛋白质分子会被严重氧化，部分过度氧化的蛋白质会严重影响蛋白凝胶整个系统的结构和功能。与DBD等离子体处理或等离子体射流直接处理蛋白溶液不同，等离子体活化水（ PAW ） 处理将是一种更好的方法； 采用等离子体射流对去离子水进行不同时间的处理，制备得到含大量活性氧（ ROS ）和氮离子（ RNS ）的PAW，PAW中的活性物质可导致蛋白质氧化； 但PAW与蛋白质溶液的混合使其更加均匀，充分用于活性物质和蛋白质分子之间的相互作用，避免了蛋白质的过度氧化，因此，PAW更适合用于禽肉肌原纤维蛋白的凝胶产品。

本文采用等离子体活化水代替去离子水制备CMP凝胶，在不添加任何添加剂条件下研究PAW制备时间对CMP粒径、zeta电位、芳香氨基酸残基以及流变性能的影响，并通过颜色属性、结构特征、持水性和扫描电镜等表征了CMP凝胶的变化。同时，研究了采用PAW制备CMP凝胶对沙门氏菌及金黄色葡萄球菌的抑菌效能。

Results and Discussion

当等离子体射频装置中的高压或能量作用于空气时，空气中的氧气、氮气和水蒸气会发生电离反应，生成瞬时活性氧和活性氮物质，包括NO、NO2、OH•和NO•等。这些活性物质随后溶解到水中，进行一系列反应，生成NO3-、NO2-、H2O2和ONOOH等物质。这些活性物质使等离子体活化水具有三个主要特征：1)抗菌活性；2)氧化能力，可诱导氧化应激现象；3)比去离子水相比，具有较低的pH值。

图2a为蛋白质溶液与PAW反应后其芳香氨基酸残基的变化情况。从图中可以看出，经PAW处理后，蛋白溶液的吸光度明显高于未处理组，最大吸收峰的波长从287到297nm，表明经PAW处理后蛋白中有更多的疏水基团暴露，同时氨基酸极性发生转换，增强CMPs之间的相互作用，促进CMPs的聚集。

SH是蛋白质中最具活性的官能团之一，可作为蛋白质氧化的指标。在氧化应激条件下，巯基易被氧化形成二硫键，导致其含量下降。MP溶液经PAW处理后其SH含量如图2b所示。随着等离子体处理水的时间增加，MP溶液中的SH含量呈下降趋势。结果表明，PAW处理促进了含有SH基团氨基酸的暴露，导致蛋氨酸和半胱氨酸的SH基团向二硫键转变，造成蛋白质的氧化。这一现象可能与PAW中产生的活性物质有关，加速分子内/分子间的相互作用和MP二硫键的生成。适度的蛋白质氧化可以促进形成密集的CMP凝胶网络结构，并提高凝胶的性质，但过多的蛋白质氧化会导致凝胶强度和持水量的降低。

为了进一步观测CMPs经PAW处理后的聚集性，测定了CMPs的粒径分布和zeta电位。如图2c所示，与未处理的CMPs相比，经PAW处理后CMPs的粒径分布最大值右移。颗粒粒径的增加可能归因于：1)PAW处理促进了水胶束附着在CMPs上，导致聚集物的形成；2)在PAW中，CMP被活性氧部分氧化，导致CMP分子之间产生二硫键，这与图2b中SH的变化一致；3) PAW的低pH特性(H+)破坏了天然MPs的电荷平衡。从图2d可以看出，随着处理时间从0 s增加到100 s，电位从初始的-8.45 mV变化到-0.85 mV，MPs电荷的变化可以减小分子间的斥力，促进蛋白质的聚集，导致MP粒径的增大。

图3为经PAW处理后CMP溶液在加热和冷却过程中的动态流变变化。在加热阶段，与未处理的CMP相比，PAW处理后CMP溶液的凝胶性增强。当温度从40°C升高到60°C时，PAW处理后CMP的G'比未处理的CMP表现出更高的凝胶化曲线斜率，这归因于CMP交联。在50°C左右，部分肌球蛋白亚片段趋于变性和聚集，导致G '的初始增加。在60°C左右，多域肌球蛋白形成了更持久和扩展的三维网状结构，这可能与PAW处理后暴露的CMPs疏水残基有关。在冷却阶段，经PAW处理的CMPs仍比未处理的CMPs表现出更高的G '值。总的来说，在整个加热和冷却过程中，PAW处理后的CMP的G’值始终高于未处理的CMP。

凝胶的强度是影响鸡肉产品加工特性的重要因素。图4a为经PAW处理CMP凝胶与未处理CMP凝胶（ 对照组 ） 的对比图。 从图中可见，CMP凝胶经PAW处理后呈规则光滑的球形表面，而对照组凝胶形状不规则且易碎。 MP凝胶强度的差异也可以在图4b中得到证明。 当等离子体处理时间从0 s增加到100 s时，CMP凝胶强度从初始的0.34 N增加到0.65 N，说明PAW处理可以显著提高MPs的凝胶强度。 凝胶强度的提高可能与PAW中活性氧诱导适当的氧化应激相关，这可增强MPs分子间和分子内的相互作用。

如图4c所示，当等离子体处理时间从0 s增至100 s，经PAW处理后凝胶的白度从89.06增加到89.72。凝胶含水量的增加可增强对光的反射，从而导致亮度和白度的增加，结果表明，PAW处理可能提高了CMP凝胶网络结构中自由水的含量。

如图4d所示，当等离子体处理时间从0 s增至100 s，经PAW处理后凝胶的WHC值从48.78增至54.95%。结果表明，PAW处理显著提高了CMP凝胶的WHC（ P <0.05 ） ，PAW处理后的蛋白质氧化有利于凝胶性能。 PAW处理可以促进CMPs的展开，从而导致更多的水和蛋白质之间的反应，并促进更密集的网络结构的形成。 扫描电子显微镜图像进一步证实了上述结论。 如图4e和f所示，未处理组CMP凝胶的结构松散和粗糙，P100处理后的CMP凝胶呈现出紧凑的交联结构(图4g和h)。 综上可知，PAW处理改善了CMP凝胶的基本特性。

如图5a所示，P100处理后的凝胶在含有金黄色葡萄球菌或肠炎葡萄球菌的平板上显示出透明的抑制区，对照组凝胶周围无明显的抑制带。说明经PAW处理后的蛋白凝胶具有一定的抗菌活性。

为了探究凝胶抗菌活性的原因，利用红外光谱（ FTIR ） 检测了PAW处理后凝胶的化学结构变化。 如图5b所示，与对照组相比，FTIR光谱中没有发现新峰，说明凝胶中没有生成新化学物质。 凝胶的抗菌活性仅与PAW中的活性物质有关。 因此，推测凝胶形成后，活性物质溶解在水中，存在于凝胶的网络结构中，从而导致PAW处理过的凝胶具有抗菌活性。

根据之前的研究，测定室温贮藏期间PAW的pH值及活性物质浓度的变化。结果表明，PAW处理显著降低了水的pH值（表S1），制备PAW 20分钟后，过氧化氢浓度几乎低于检测限（图S1）。在贮藏期间，PAW中只有亚硝酸盐和硝酸盐一直存在（表S1）。随着贮藏时间的延长，亚硝酸盐含量显著降低，而硝酸盐含量呈缓慢上升趋势。为了进一步了解PAW中的主要抗菌物种，利用R编程软件分析了抗菌活性与PAW中活性物种、pH值之间的相关性（图5c）。NO2-被证明是PAW中主要的抗菌物质。同时，PAW的低pH值促进了亚硝酸（HNO2）的生成，并进一步分解成NO•和NO2•自由基，被称为酸化亚硝酸盐的NO•和NO2•自由基对病原体表现出较强的抗菌活性。

作者简介

章建浩教授

南京农业大学食品科技学院博士生导师，食品包装研究所所长，南京苏曼等离子工程研究院院长；南京农业大学“钟山学者计划”教授，江苏省“333高层次人才工程”第二层次培养对象；中国绿色食品包装专业委员会副主任，中国畜产品加工研究会蛋品专业委员会副理事长，江苏省蛋品行业协会副会长；第二届中国蛋品加工业十大杰出人物。

研究方向：畜产品加工与品质控制、食品保鲜包装。“十一五”以来，主持完成“十二五”国家支撑计划课题“动物源食品加工共性关键技术研究”，及省部级科技计划项目8 项。获发明专利50 件（其中国际发明专利2 件），发表论文170余篇（SCI 50余篇），主编专著教材6 部，其中国家十五\十一五和农业部十二五规划教材《食品包装学》获《全国农业高校优秀教材奖》；鉴定技术成果5 项，2007技术成果“传统肉制品风味品质形成机理及现代化生产研究与示范”获全国商业科技进步特等奖、教育部科技进步一等奖，2010主持技术成果“食品保鲜包装技术装备”获全国商业科技进步一等奖、教育部科技进步二等奖，2013年“冷却肉质量安全保障关键技术及装备研究与应用”获《国家科技进步二等奖》（排名8/15），2017年“肉品加工与质量控制创新团队”获农业部神农中华农业科技奖——优秀创新团队奖，2019参与的技术成果“肉品风味与凝胶品质控制关键技术研发及产业化应用”获《国家科技进步二等奖》（排名5/10），2020“传统蛋制品纳米涂膜保鲜-品质控制关键技术装备研发与应用示范”获得国食品科学技术学会科技创新奖--技术发明二等奖、和高等学校科学研究优秀成果奖--技术发明二等奖。

严文静副教授

严文静，副教授，南京农业大学“钟山学者计划”青年学术新秀。主要从事食品安全控制及纳米材料抑菌方面研究。已发表学术论文20余篇，其中SCI 14 篇，影响因子大于10的论文2 篇，以第一发明人申请国家发明专利6 项，其中授权专利5 项。主持十三五国家重点研发计划项目课题1 项，国家自然科学青年基金1 项、面上基金1 项，中国博士后科学基金2 项，中央高校基本科研业务费项目2 项。参与十二五国家科技支撑计划、江苏省农科院自主创新项目等4 项。

钱婧博士研究生

钱婧，南京农业大学食品科学技术学院博士在读，导师章建浩教授，具体研究方向为低温等离子体冷杀菌技术。目前，以第一作者发表SCI论文5 篇，中文核心2 篇，申请专利2 项；参与国家重点研发计划1 项、江苏省农业创新资金1 项。

该文章《Plasma activated water-induced formation of compact chicken myofibrillar protein gel structures with intrinsically antibacterial activity》于2021年2月10日在线发表于Food Chemistry。点击下方阅读原文即可查看摘要原文。

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编辑：袁艺；责编：张睿梅

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